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有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應(yīng)用
您的位置： 中頻爐|感應(yīng)加熱|熔鋼爐|熔鋁爐|熔銅爐|熔鉛爐|洛陽萬峰工業(yè)爐有限公司-技術(shù)支持有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應(yīng)用
廠家：有源濾波器在6脈中頻爐諧波治理中的應(yīng)用 日期：：2020-01-24 瀏覽次數(shù)： 108
簡(jiǎn)述了中頻爐的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，從理論上分析其產(chǎn)生的諧波電流特性。利用PSIM仿真平臺(tái)分別搭建了6脈電流型和電壓型中頻爐仿真模型，并仿真分析其諧波電流特性；介紹了3種治理方案，選用有源濾波器(APF)對(duì)中頻爐的諧波進(jìn)行補(bǔ)償．并在實(shí)際工程中采用APF對(duì)6脈中頻爐的電流諧波進(jìn)行抑制，取得了較為理想的效果。
晶閘管中頻電源的應(yīng)用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺(tái)感應(yīng)熔煉電源開始的．并得到了廣泛應(yīng)用．遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域…國(guó)內(nèi)晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統(tǒng)中最重要的非線性負(fù)荷由于中頻電源裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)．會(huì)不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注入諧波電流．使公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)(PPC)的電壓波形嚴(yán)重畸變．使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降．電能損耗顯著上升．被公認(rèn)為電力系統(tǒng)的一大公害。諧波治理工作尤為重要E2]為減少中頻爐帶來的諧波污染，國(guó)內(nèi)已采用多脈動(dòng)整流技術(shù)研制出了多種中頻爐設(shè)備，包括6脈，l2脈，24脈中頻爐等，由于后兩者成本相對(duì)較高．因此大多煉鋼企業(yè)仍舊采用6脈動(dòng)中頻爐進(jìn)行金屬熔煉．其諧波污染問題仍不能忽視現(xiàn)階段對(duì)于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法：一種是補(bǔ)救性的治理方法．即為克服既存諧波問題所采用的方法：一種是避免中頻爐諧波出現(xiàn)的預(yù)防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴(yán)重的諧波污染．但對(duì)于現(xiàn)已大量使用的中頻爐．則只有采用第一種方法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波將結(jié)合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進(jìn)行討論．提出利用有源濾波器(APF)對(duì)6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償與治理分析
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中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置．其核心設(shè)備是中頻電源中頻爐的電源通常采用AC—DC—AC變換方式．將輸入的工頻交流電輸出為中頻交流電．且頻率變化不受電網(wǎng)頻率的限制．其電路如圖l所示
中頻電源注入電網(wǎng)的諧波主要是由整流裝置產(chǎn)生的．這里以三相6脈動(dòng)全控橋式整流電路為例來分析其諧波含量忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過程和電流脈動(dòng)．假定交流側(cè)電抗為0．直流電感為無窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負(fù)、正兩半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，可推出交流側(cè)a相電流的表達(dá)式：
由式(1)可知．對(duì)于6脈動(dòng)的中頻爐來說．它可產(chǎn)生大量的5次，7次，l1次，l3次，17次，19次等諧波，可歸納為6k_+l(為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比．且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù).
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利用PSIM軟件分別建立電流型中頻爐和電壓型中頻爐的仿真模型．其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示電流型中頻爐逆變側(cè)由4個(gè)晶閘管橋臂組成．電壓型中頻爐逆變側(cè)由4個(gè)IGBT組成將中頻爐加熱頻率設(shè)為1000Hz，中頻爐額定功率P為100kW．電源電壓為220V。根據(jù)所建仿真模型．得到中頻爐的輸人諧波特性：電流型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖4所示．電壓型中頻爐輸人側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖5所示
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仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了理論上的諧波分析中頻爐采用6脈波整流電路，通過FFT分析得知輸入側(cè)電流中含有大量的6±1次諧波，其中5次諧波含量很大．
通過計(jì)算得出電流型諧波電流總畸變率為l9．71，電壓型諧波電流總諧波畸變率為19．26％．嚴(yán)重超過國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。
為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對(duì)公共電網(wǎng)的影響符合設(shè)備使用地供電系統(tǒng)的要求．可采取積極有效的治理措施以消除諧波污染，具體治理措施如下6]：一是變壓器采用Y／Y／A接線方式對(duì)于大容量的中頻爐．其供電變壓器可以采用Y／Y／△接線方式．通過改變整流器交流側(cè)變壓器的接線形式來抵消較低次的特征諧波但成本較高。二是采用LC無源濾波器．主要結(jié)構(gòu)是用電容器與電抗器串聯(lián)起來．組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中。這種方法比較傳統(tǒng)．既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響。易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振．且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波．補(bǔ)償效果也不甚理想。三是采用APF，這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動(dòng)態(tài)諧波補(bǔ)償設(shè)備，具有高度可控性和快速響應(yīng)性．能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償．動(dòng)態(tài)特性好，且補(bǔ)償特性不受阻抗的影響，諧波補(bǔ)償效果最佳．因而受到廣泛重視。
采用并聯(lián)型APF。其主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，出口處采用LCL濾波器連接電網(wǎng)，用于濾除開關(guān)次諧波。采用一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和電流閉環(huán)反饋控制的算法[，從瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無功能量在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā)，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功能量為主要目標(biāo)來對(duì)輸入的電流進(jìn)行控制。
APF的工作原理如圖7所示。指令電流運(yùn)算電路，一方面為達(dá)到消除諧波和補(bǔ)償無功功率的目的，將負(fù)載電流，中的諧波電流和無功電流分離出來，產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)；另一方面為保持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定．采用PI調(diào)節(jié)控制法：將檢測(cè)到的電容電壓實(shí)際值與給定的參考電壓值相減之差通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號(hào)，并將作為實(shí)際的補(bǔ)償電流指令值疊加到i。上，即：
主即sP為電電w路流源補(bǔ)M償?shù)碾?技功流，電故術(shù)率流i。產(chǎn)開中一。囊生關(guān)只的=含輸，。調(diào)，L有使因+出制。其此基觸波一創(chuàng)波電發(fā)信I建有源_+脈號(hào)功出沖。分補(bǔ)流，通償i量【JP過為電i正驅(qū)流：。弦動(dòng)。脈
APF研制成功后．在蘇州振吳電爐有限公司投入運(yùn)行該公司裝有l(wèi)臺(tái)1600kV．A主變，在該公司380V母線上．安裝了l臺(tái)100kW的中頻爐，及其他無功補(bǔ)償設(shè)備380V／220kV．A的APF安裝在變壓器低壓側(cè)．即中頻爐的接入點(diǎn)針對(duì)6脈中頻爐不同階段的波形進(jìn)行實(shí)測(cè)．得到補(bǔ)償前后的電流波形(波形由恒河DL750錄波儀測(cè)得)：將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)人MATLAB中進(jìn)行FFT分析．得到補(bǔ)償前后電源側(cè)電流對(duì)應(yīng)的頻譜分析圖．如圖(8一l3)所示
對(duì)6脈中頻爐在空載、5O％負(fù)載、滿載3種不同階段的電源側(cè)電流波形及頻譜分析可知．在未使用APF進(jìn)行諧波治理前．中頻爐投入運(yùn)行時(shí)．電源側(cè)電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，諧波電流組成主要為5次。7次．11次，13次諧波電流．諧波畸變率較大針對(duì)中頻爐滿載的典型情況，補(bǔ)償前系統(tǒng)電流的5次，7次，11次，13次諧波含有率明顯超高．尤其5次諧波含有率達(dá)到21．49，7次諧波電流達(dá)l1．77％諧波畸變率THD高達(dá)27．9％。投入APF進(jìn)行諧波治理后，5次，7次，11次，l3次諧波諧波含有率迅速下降，電流波形接近于正弦波，電能質(zhì)量得到顯著改善。針對(duì)中頻爐滿載的典型情況，補(bǔ)償后諧波畸變率THD下降到3．8％，符合國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償效果良好。
將APF應(yīng)用于6脈中頻爐的諧波治理中．通過對(duì)補(bǔ)償前后的諧波情況進(jìn)行對(duì)比與分析．可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著改善．其電流畸變率迅速下降．從而降低了中頻爐對(duì)電網(wǎng)的諧波污染．并改善了其他用電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，為企業(yè)節(jié)約大量電能因此．APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應(yīng)用.
晶閘管中頻電源的應(yīng)用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺(tái)感應(yīng)熔煉電源開始的．并得到了廣泛應(yīng)用．遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域…國(guó)內(nèi)晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統(tǒng)中最重要的非線性負(fù)荷由于中頻電源裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)．會(huì)不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注入諧波電流．使公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)(PPC)的電壓波形嚴(yán)重畸變．使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降．電能損耗顯著上升．被公認(rèn)為電力系統(tǒng)的一大公害。諧波治理工作尤為重要E2]為減少中頻爐帶來的諧波污染，國(guó)內(nèi)已采用多脈動(dòng)整流技術(shù)研制出了多種中頻爐設(shè)備，包括6脈，l2脈，24脈中頻爐等，由于后兩者成本相對(duì)較高．因此大多煉鋼企業(yè)仍舊采用6脈動(dòng)中頻爐進(jìn)行金屬熔煉．其諧波污染問題仍不能忽視現(xiàn)階段對(duì)于中頻爐諧波的治理方法主要有2種方法：一種是補(bǔ)救性的治理方法．即為克服既存諧波問題所采用的方法：一種是避免中頻爐諧波出現(xiàn)的預(yù)防性的措施[3]。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴(yán)重的諧波污染．但對(duì)于現(xiàn)已大量使用的中頻爐．則只有采用第一種方法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波將結(jié)合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進(jìn)行討論．提出利用有源濾波器(APF)對(duì)6脈中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償與治理分析
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中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置．其核心設(shè)備是中頻電源中頻爐的電源通常采用AC—DC—AC變換方式．將輸入的工頻交流電輸出為中頻交流電．且頻率變化不受電網(wǎng)頻率的限制．其電路如圖l所示
中頻電源注入電網(wǎng)的諧波主要是由整流裝置產(chǎn)生的．這里以三相6脈動(dòng)全控橋式整流電路為例來分析其諧波含量忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過程和電流脈動(dòng)．假定交流側(cè)電抗為0．直流電感為無窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負(fù)、正兩半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，可推出交流側(cè)a相電流的表達(dá)式：
由式(1)可知．對(duì)于6脈動(dòng)的中頻爐來說．它可產(chǎn)生大量的5次，7次，l1次，l3次，17次，19次等諧波，可歸納為6k_+l(為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比．且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù).
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?利用PSIM軟件分別建立電流型中頻爐和電壓型中頻爐的仿真模型．其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示電流型中頻爐逆變側(cè)由4個(gè)晶閘管橋臂組成．電壓型中頻爐逆變側(cè)由4個(gè)IGBT組成將中頻爐加熱頻率設(shè)為1000Hz，中頻爐額定功率P為100kW．電源電壓為220V。根據(jù)所建仿真模型．得到中頻爐的輸人諧波特性：電流型中頻爐輸入側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖4所示．電壓型中頻爐輸人側(cè)a相電網(wǎng)電流波形和頻譜如圖5所示
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仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了理論上的諧波分析中頻爐采用6脈波整流電路，通過FFT分析得知輸入側(cè)電流中含有大量的6±1次諧波，其中5次諧波含量很大．
通過計(jì)算得出電流型諧波電流總畸變率為l9．71，電壓型諧波電流總諧波畸變率為19．26％．嚴(yán)重超過國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。
為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對(duì)公共電網(wǎng)的影響符合設(shè)備使用地供電系統(tǒng)的要求．可采取積極有效的治理措施以消除諧波污染，具體治理措施如下6]：一是變壓器采用Y／Y／A接線方式對(duì)于大容量的中頻爐．其供電變壓器可以采用Y／Y／△接線方式．通過改變整流器交流側(cè)變壓器的接線形式來抵消較低次的特征諧波但成本較高。二是采用LC無源濾波器．主要結(jié)構(gòu)是用電容器與電抗器串聯(lián)起來．組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中。這種方法比較傳統(tǒng)．既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響。易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振．且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波．補(bǔ)償效果也不甚理想。三是采用APF，這是諧波抑制比較新的方法[7]。APF是一種動(dòng)態(tài)諧波補(bǔ)償設(shè)備，具有高度可控性和快速響應(yīng)性．能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償．動(dòng)態(tài)特性好，且補(bǔ)償特性不受阻抗的影響，諧波補(bǔ)償效果最佳．因而受到廣泛重視。
采用并聯(lián)型APF。其主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，出口處采用LCL濾波器連接電網(wǎng)，用于濾除開關(guān)次諧波。采用一種新型的基于直流側(cè)電容電壓控制和電流閉環(huán)反饋控制的算法[，從瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無功能量在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā)，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功能量為主要目標(biāo)來對(duì)輸入的電流進(jìn)行控制。
APF的工作原理如圖7所示。指令電流運(yùn)算電路，一方面為達(dá)到消除諧波和補(bǔ)償無功功率的目的，將負(fù)載電流，中的諧波電流和無功電流分離出來，產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)；另一方面為保持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定．采用PI調(diào)節(jié)控制法：將檢測(cè)到的電容電壓實(shí)際值與給定的參考電壓值相減之差通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號(hào)，并將作為實(shí)際的補(bǔ)償電流指令值疊加到i。上，即：
主即sP為電電w路流源補(bǔ)M償?shù)碾?技功流，電故術(shù)率流i。產(chǎn)開中一。囊生關(guān)只的=含輸，。調(diào)，L有使因+出制。其此基觸波一創(chuàng)波電發(fā)信I建有源_+脈號(hào)功出沖。分補(bǔ)流，通償i量【JP過為電i正驅(qū)流：。弦動(dòng)。脈
APF研制成功后．在蘇州振吳電爐有限公司投入運(yùn)行該公司裝有l(wèi)臺(tái)1600kV．A主變，在該公司380V母線上．安裝了l臺(tái)100kW的中頻爐，及其他無功補(bǔ)償設(shè)備380V／220kV．A的APF安裝在變壓器低壓側(cè)．即中頻爐的接入點(diǎn)針對(duì)6脈中頻爐不同階段的波形進(jìn)行實(shí)測(cè)．得到補(bǔ)償前后的電流波形(波形由恒河DL750錄波儀測(cè)得)：將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)人MATLAB中進(jìn)行FFT分析．得到補(bǔ)償前后電源側(cè)電流對(duì)應(yīng)的頻譜分析圖．如圖(8一l3)所示
對(duì)6脈中頻爐在空載、5O％負(fù)載、滿載3種不同階段的電源側(cè)電流波形及頻譜分析可知．在未使用APF進(jìn)行諧波治理前．中頻爐投入運(yùn)行時(shí)．電源側(cè)電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，諧波電流組成主要為5次。7次．11次，13次諧波電流．諧波畸變率較大針對(duì)中頻爐滿載的典型情況，補(bǔ)償前系統(tǒng)電流的5次，7次，11次，13次諧波含有率明顯超高．尤其5次諧波含有率達(dá)到21．49，7次諧波電流達(dá)l1．77％諧波畸變率THD高達(dá)27．9％。投入APF進(jìn)行諧波治理后，5次，7次，11次，l3次諧波諧波含有率迅速下降，電流波形接近于正弦波，電能質(zhì)量得到顯著改善。針對(duì)中頻爐滿載的典型情況，補(bǔ)償后諧波畸變率THD下降到3．8％，符合國(guó)家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償效果良好。
將APF應(yīng)用于6脈中頻爐的諧波治理中．通過對(duì)補(bǔ)償前后的諧波情況進(jìn)行對(duì)比與分析．可知電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了顯著改善．其電流畸變率迅速下降．從而降低了中頻爐對(duì)電網(wǎng)的諧波污染．并改善了其他用電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，為企業(yè)節(jié)約大量電能因此．APF將在6脈中頻爐的諧波治理上得到廣泛的應(yīng)用.
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